CN1048126C - 表面声波器件的电极形成方法 - Google Patents

Abstract

一种表面声波器件的电极形成方法，它适合于以规定的离子能量进行离子辅助时在结晶取向为恒定方向的压电基片上形成电极材料膜，在膜形成工艺中应用诸如蒸发、溅射、IBS(离子束溅射)、CVD(化学汽相沉积)、等离子体CVD、MEE(分子束外延)、ICB(电离聚束)或激光烧蚀等膜形成方法。

Description

表面声波器件的电极形成方法

本发明涉及表面声波器件(以下称为SAW器件)的电极形成方法，特别涉及到通过薄膜形成方法在构成SAW的压电基片上形成电极的方法。

利用表面声波的SAW器件广泛地应用电视机或磁带记录器，所说的SAW器件是通过在有压电性质的基片表面上形成由金属带制成的梳形电极和栅格电极构成的交叉指型变换器而构成。用来制造这种SAW器件的电极的材料通常用玻璃(质)(amorphous)多晶铝型的铝。

而且近年来SAW器件广泛地应用于发送/接收元件或高频域谐振腔，和指望作为移动通讯的手提式装置的射频带通滤波用的滤波器，以达到小型化和减轻重量的目的。

当此SAW器件用于电视机或磁带记录器时，这样的SAW器件在约1mw的低功率电平下使用，而高压电平信号加到特别用于发送目的的移动通讯应用的SAW器件上。例如，特高的约20mw功率加到无绳电话的SAW滤波器上(1993，12，9在日本进行的关于超声电子学的基本原理和应用第14次学术讨论会)。因此，表面声波引起的高的压力加到电极(铝电极)，引起电极中的原子迁移。这种因压力引起的迁移称为压力迁移。这种压力迁移引起电短路、增加插入损耗和降低谐振腔的品质因数，从而导致SAW器件的性能下降。

为解决此问题，这里推荐一种电极材料用铝膜或铝合金(例如铝-铜合金)膜，其(111)平面与基片表面平行，而且定向轴是[111](日本专利公开No.183373(1993))。

然而在其(111)平面与基片表面平行的上述铝膜或铝合金膜中，克服压力迁移的阻力提高了，但效果当然是不够的。因此，在现有的环境下所需要的是一种能构成有更高克服压力迁移的阻力的电极的电极形成方法。

为了解决上述问题，本发明的任务是提供一种SAW器件的电极形成方法，当供给高功率时它能形成呈现良好压力迁移阻力的电极。

为了达到上述目的，本发明人已对电极的压力迁移进行多种研究，认为当基片晶体和金属晶体相互配合很差，在晶体结构中造成许多不规则处，导致在其结晶定向是沿(111)平面的常规铝膜中由表面声波引起压力迁移，并进行进一步研究和实验以完成本发明。

本发明的SAW器件的电极形成方法包括准备压电基片以及在以规定离子能量进行离子辅助时在由薄膜形成法形成的以固定方向定向的压电基片上形成电极材料薄膜。此薄膜形成法可以从诸如溅射、IBS(离子束溅射)、CVD(化学汽相沉积)、等离子体CVD、MBE(分子束外延)、ICB(电离聚束)、和激光烧蚀等多种方法中选择，此方法还不限于这些，也能用其它方法实现。

当用上述任意薄膜形成法的薄膜形成过程进行离子辅助时，能通过在结晶取向为恒定方向的压电基片上形成电极材料薄膜而形成晶体缺陷极少的外延膜，从而形成长寿命的有良好的压力迁移阻力的电极。

根据本发明的一种形成表面声波器件的电极的方法包括如下步骤：制备压电基片；以及在以一种离子能量进行离子辅助的同时，用外延薄膜形成法，在压电基片的表面上形成电极材料外延膜，外延膜如此取向，即使得外延膜的平面平行于压电基片表面。

有(111)取向的电极是电极平面中无不规则原子排列的最致密的填充层。因此均匀地分配加到电极上的压力是可能的，从而能提高压力迁移阻力。而且，由于没有结晶边界，因而结晶缺陷小，因为在晶体边界中的扩散和结晶缺陷，抑制扩散是可能的。

离子辅助最好在离子能量200-1000ev下进行。

如果离子能量小于200ev，要给金属原子供给足够的能量是不可能的，而如果能量超过1000ev，溅射带辅助离子的金属原子的作用过分增加，以致达不到膜的生长量。

而且此离子辅助最好在辅助离子低的流密度在0.01-10.00MA/cm²下进行。

如果辅助离子流的流密度小于0.01MA/cm²，不可能向金属原子提供足够的能量，如果流密度超过10MA/cm²，溅射带辅助离子的金属原子的作用过分增加以致不能实现膜的生长量。

辅助离子最好至少从H⁺ _e、N⁺ _e、A⁺ _r、 K⁺ _r和X⁺ _e中准备其一。

通过应用这样的辅助离子，得到足够的离子辅助作用是可能的，从而能可靠地形成晶体缺陷数很小的外延膜。而且由于辅助离子是惰性气体离子，所以它们能提供能量而不与金属原子或构成基片的原子起反应。

此辅助离子最好以与基片表面的法线成0-60°角入射到基片上。

如果入射角超出此范围，则不可能向金属原子有效地提供能量。

最好将膜形成率设置在0.1-50/秒的范围内。

如果膜形成率不大于0.1/秒，则金属原子有害地凝聚引起晶体粒生长。而在金属原子整齐地排列之前，就有害地形成膜。

由于要求在外延生长的基片表面上有适当的金属原子迁移，在形成膜过程中基片加热温度最好在0-400℃。

而且，最好在真空度不高于10^-3mmHg下来形成膜，这就不会有残余气休与膜结合导致结晶结构不规则。

由于沿(111)平面有最致密的结构，电极材料最好从有对中立方结构的面的金属如铝中或从有对中立方结构并含掺杂物的面的金属中准备。由Ag、Au或Ni等有对中立方方结构的面的金属中选择以代替Al是可能的。

掺杂物最好是按重量计在0.1-5％范围的Ti、Cu和Pd中的至少一种。

通过至少掺杂进Ti、Cu和Pd中的一种来进一步改善压力迁移阻力是可能的。然而如果掺杂物量按重量计小于0.1％，则几乎无法识别掺杂效果，如果按重计其量超过5％，则电阻率增加。因此掺杂量按重量计最好在0.1-5％。

由于在晶体表面上氧原子浓度高，特别是夸脱L_iT_aO₃和L_iN_bO₃有致密的组合结构，所以压电基片最好由包括至少一夸脱L_iT_aO₃、L_iN_bO₃、L_iB₄O₇和Z_nO的基片构成，所以因基片原子排列的影响很容易传给金属原子。

在本发明的SAW器件的电极形成方法中，如上所述，在用任意薄膜形成方法的膜形成工艺中应用的在规定能量下用离子辅助使电极材料膜形成在其结晶取向在恒定方向的压电基片上，这就能形成有很少数晶体缺陷的外延膜，从而形成有优良的压力迁移阻力的电极。

用本发明的方法形成的电极由于非常少量的晶体缺陷具有良好的电迁移阻力和热稳定性以及在湿式蚀刻中的可以加工性。

而且，基片和电极(膜)之间的界面是非常稳定的，不形成合金，从而能防止两电极间电阻减少。

在本发明的SAW器件的电极形成方法中，当基片晶体和金属膜晶体之间的不吻合至少是±20％时，由于在膜形成工艺中应用离子辅助，所以获得外延膜是可能的。

此外，当掺杂物比率增加时也能获得晶体缺陷很少的外延膜，因而通过施加足够比率的杂质能进一步改善压力迁移阻力。

按照本发明的SAW器件的电极形成方法，能在低温下形成电极，从而在形成电极过程中可减少在压电基片上的损伤(晶片损坏)。

通过下面参照附图对本发明进行详细说明，将使本发明的上述和其它目的、特征、状况和优点变得更加明显。

图1是表示具有用本发明的SAW器件电极形成方法形成的电极的SAW器件(双模表面声波滤波器)的俯视图；

图2例示出具有用本发明的SAW器件电板形成方法形成的电极的双模表面声波滤波器的50Ω传输特性曲线；

图3示意性说明压力迁移阻力求值系统的结构；

图4是用以说明从其输出判断SAW滤波器寿命的方法的曲线图；和

图5是用以说明各衍射点的表面指数的图。

现在说明本发明的一实施例，以便详细解释本发明的特征。图1是表示具有用本发明的电极形成方法形成的电极的SAW器件(双模表面声波滤波器)1的俯视图。

在图1所示的双模SAW滤波器7中，一对垂直的指状组合型电极2a形成在压电基片1表面的中央部分上，面指状组合型电极2b分别形成在其两边上。栅格电极(反射器)2c分别提供在指状组合型电极2b的两边上。

在栅格电极2c的外侧，梳状容性电极4形成在中间部分。而且，引线端3经导线从指状组合型电极2a拉引出。指状组合型电极2b用导线图案5相互连接，并进一步用电容所提供的另外的导线图案5与容性电极4连接。引线端6从容性电极4引出。

现在来说明用以形成上述SAW器件的电极的实际方法。

由L_iT_aO₃构成的压电基片1被首先准备好，以便通过双重离子束溅射在压电基片1的一个主面上形成厚2000A的铝膜(电极膜)，实现离子辅助。

这时，应用下列的膜形成条件：

溅射离子电流：100mA

溅射离子能量：1000ev

辅助离子类型：A⁺ _r

辅助离子流：50mA

辅助离子流密度：5mA/cm²

辅助离子能量：300ev

辅助离子入射角：15°

基片温度：100℃

膜形成速率：2/秒

膜形成的真空度：5×10^-5mmHg

图5是用以说明各衍射点的表面指数的图。由图5可见，晶体外延生长在(111)平面上。

用本发明的SW元件的电极形成法在规定的离子能量下进行离子辅助在压电基片1上形成一电极材料膜而获得的电极是一铝膜((111)取向的外延铝膜)，与不用离子辅助形成的铝膜相比，它在(111)平面上外延生长的晶体缺陷和很小并有良好的结晶状态。

此铝膜有如下的外延关系式：

(111)[101]Al/(012)[100]L_iT_aO₃

然后，形成在压电基片1的主表面上面的Al膜用光刻法加工，以便分别在压电基片1的表面上形成指状组合型电极2a和2b、栅格电极2c、容性电极4和导线图案5，从而制备成图1所示的双模SAW滤波器的样品。

测量双模SAW滤波器的50Ω传输特性以获得图2所示的特性曲线。参看图2，横坐标轴表示信号频率，纵坐标轴表示通过SAW滤波器7的信号的衰减。如图2所示，此特性曲线有一约380MHz的峰值频率，在此峰值频率处插入损耗约2.5dB。

图3所示的系统用于计算双模SAW滤波器7的功率阻力(压力迁移阻力)。

在此系统中，来自振荡器11的1W的输出信号在功率放大器12中进行功率放大，此输出加到SAW滤波器7。然后SAW滤波器7的输出P(t)输入进功率计14并进行电平测量。功率计14的输出经计算机15反馈回振荡器11，所以所加信号的频率经常是与传输特性的峰值频率相同。SAW滤波器7放在其温度能使其加速损坏的恒温箱13中。在上述评定中空气温度保持在85℃以加速其损坏。

功率放大器12的输出设置在1W(50Ω系统)，测量最初输出电平P_t＝P_o，在规定的时间间隔t之后，当输出达到如下电平：P_t≥P_o-1.0(dB)时判定SAW滤波器7达到寿命结束时间t_d。

由于输出P(t)和时间t通常满足图4所示的关系，当输出P(t)下降1dB时估计SAW滤波器7寿命结束被认为是合理的。

通过用下述四种类型的电极材料(金属)在同样的L_iT_aO₃基片上形成同样形状的电极，制备了上述推测寿命的A，B，C，D四个实例：

A：任意取向的纯Al+1wt％(铜)制的电极(常规电极)；

B：(111)取向的外延纯铝电极(常规电极)；

C：(111)取向的外延纯铝电极(本发明的电极)；

D：(111)取向的外延铝+1wt％铜制的电极(本发明的电极)。

试验结果确认各个实例的寿命如下：

A：不大于8小时；

B：1750小时；

C：2800小时；

D：至少3200小时。

由上述可知，具有用常规的不用离子辅助的方法的沿(111)平面取向的纯铝膜制成的电极样品B的寿命是具有常规电极的样品A的寿命的200倍；而具有用带离子辅助的外延纯铝膜制备的电极样品C的寿命是样品A寿命的350倍，其寿命进一步显著提高。由上述比较还可看到，具有由铝和铜构成的外延铝合金膜制成的电极样品D与具有外延纯铝膜制备的电极样品C相比，其寿命进一步增加。

已说明铜做铝的掺杂剂的上述实施例，在本发明的SAW器件的电极形成方法中，掺杂进铝中用以达到延长寿命效果的掺杂剂不限于铜，当用钛或镉作为掺杂剂时也能达到类似效果。

当在上述实施例中用应用像带离子辅助薄膜形成方法这样的双重离子束溅射时，此薄膜形成方法可从诸如汽化蒸散、溅射、CVD、等离子体CVD、MBE、ICB和激光烧蚀等各种方法中选择，以达到与上述带离子辅助的实施例类似的效果。

换言之，本发明不限于上述实施例，在本发明精神范围内可以进行各种应用和改进。

尽管已举例详细说明了本发明，但应了解到这仅作为说明和实例，不能用以限定本发明，本发明的精神和范围仅由所附权利要求的条款来决定。

Claims (11)

1.一种形成表面声波器件的电极的方法，所说的方法包括如下步骤：

制备压电基片；以及在以一种离子能量进行离子辅助的同时，用外延薄膜形成法，在所说的压电基片的表面上形成电极材料外延膜，外延膜如此取向，即使得外延膜的(111)平面平行于所说的压电基片表面。

2.按照权利要求1所说的表面声波器件的电极形成方法，其中所说的离子辅助是在离子能量为200-1000ev下进行。

3.按照权利要求1或2中任一权利要求所说的表面声波器件的电极形成方法，其中所说的离子辅助是在流密度为0.01-10.00mA/cm²的辅助离子流下进行。

4.按照权利要求1或2中任一权利要求所说的表面声波器件的电极形成方法，其中所说的辅助离子至少从H⁺ _e、N⁺ _e、A⁺ _r、K⁺ _r和X⁺ _e中任选一种制备。

5.按照权利要求1或2中任一权利要求所说的表面声波器件的电极形成方法，其中所说的辅助离子流与所说的基片表面的法线成0-60°角入射在所说的基片上。

6.按照权利要求1或2中任一权利要求所说的表面声波器件的电极形成方法，其中所说的膜形成率是0.1-50/秒。

7.按照权利要求1或2中任一权利要求所说的表面声波器件的电极形成方法，其中在膜形成过程中基片加热温度是0-400℃。

8.按照权利要求1或2中任一权利要求所说的表面声波器件的电极形成方法，其中在膜形成过程中的真空度不低于10-3mmHg。

9.按照权利要求1或2中任一权利要求所说的表面声波器件的电极形成方法，其中所说的电极材料是有对中立方结构的面的金属，例如铝，或者是有对中立方结构的含掺杂质的面的金属。

10.按照权利要求9所说的表面声波器件的电极形成方法，其中所说的掺杂物质至少是Ti、Cu和Pd中的一种，掺杂量按重量计在0.1-5.0％。

11.按照权利要求1或2中任一权利要求所说的表面声波器件的电极形成方法，其中所说的压电基片至少由石英、LiTaO₃、LiNbO₃、Li₂B₄O₇和ZnO中的一种组成。

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